En la sección de frutas y verduras de una tienda de comestibles, el pepino no tiene nada de especial. Pero en la sección de vivero de una cadena de ferreterías, según Shazed Aziz, la planta de pepino es una maravilla.
Hace un par de años, Aziz se paseó por Bunnings Warehouse, una cadena de ferreterías australiana, y se fijó en una planta de pepino en particular. El día anterior, se había fijado en sus peculiares zarcillos, los finos tallos que sobresalen de algunas plantas en espirales de varios tamaños. Las enredaderas del pepino los utilizan para alcanzar superficies, elevarse y acceder a más luz solar. En su primera visita, esos rizos en forma de hélice eran largos y sueltos: "Cuando volví a la tienda al día siguiente, estaban contraídos", dice Aziz, postdoctorando en ingeniería de materiales en la Universidad de Queensland, en Australia.
Localizó a un empleado y le preguntó por qué la planta había cambiado tanto y tan rápido. ¿Podría estar seca, enferma o moribunda? No. La planta simplemente respondía a la humedad y a un día caluroso, de forma parecida a como un girasol gira para seguir al sol, un fenómeno llamado tropismo.
Como ingeniero, Aziz se animó al pensar en un material natural que respondiera al medio ambiente. Se había doctorado estudiando los músculos artificiales. Se trata de nuevos tipos de actuadores que forman parte de un dispositivo que, como nuestros músculos, convierte los estímulos en movimiento, y puede utilizarse para fabricar ropa motorizada, prótesis versátiles y dispositivos de movilidad accionados por electricidad, agua o aire a presión.
El pepino que cambia de forma
Aunque estos dispositivos suelen consistir en materiales artificiales, como polímeros conductores o aleaciones con memoria de forma que 'recuerdan' y se mueven entre determinadas configuraciones, los investigadores que estudian estos conceptos se inspiran en la naturaleza: versátiles tentáculos de pulpo, poderosas trompas de elefante y veloces colibríes. Así, el pepino que cambia de forma en el almacén Bunnings dio a Aziz una idea: ¿Podría alguien copiar no solo la forma helicoidal de una planta, sino su comportamiento autónomo?
Con la planta a cuestas, Aziz condujo hasta su casa y se puso a pensar en cómo presentar el proyecto a su mentor. Luego se sumergió en artículos académicos para aprender sobre los zarcillos del pepino y poder aplicar ingeniería inversa a su comportamiento. ¿Cómo se contraen y expanden? ¿Cómo trepan contra la gravedad? Descubrió que las plantas helicoidales forman espirales a un nivel más profundo que sus zarcillos. Las fibras microscópicas de celulosa, llamadas microfibrillas, se retuercen dentro de las células vegetales, que se retuercen dentro de los haces celulares, que a su vez se retuercen dentro de los zarcillos.
Músculos de hilo
Se propuso imitar esa estructura microscópica con un actuador que tuviera capas y más capas de torsiones, con la esperanza de captar un movimiento similar al de las plantas. Sabía con qué material empezar: el hilo. Los hilos son haces de fibras muy retorcidas. Las torsiones similares a las de las plantas se construyen a nivel molecular y, como el hilo es blando, sería fácil enrollarlo en más dimensiones.
Seis meses después, Aziz tenía un prototipo: un hilo de algodón enrollado con polímeros especiales, llamados hidrogeles, que absorben y retienen el agua. En un artículo publicado en mayo en la revista Advanced Materials, su equipo describió la imitación de las bobinas de expansión y contracción de las plantas helicoidales hasta un nivel microscópico, demostrando que su muelle de hilo se contraía automáticamente cuando se mojaba o enfriaba y era lo bastante potente como para mover objetos pequeños por sí solo.
"Realmente parece imitar bastante bien el comportamiento de las plantas", comenta Heidi Feigenbaum, ingeniera mecánica de la Universidad del Norte de Arizona, quien ha participado en proyectos en los que hilos de pescar retorcidos o polímeros huecos se expanden y contraen como músculos, pero quien no forma parte del equipo de Aziz. Ella cree que los actuadores en espiral son una bendición para este campo, por la flexibilidad y la resistencia que proporcionan.
Robots blandos
El experimento de imitación del pepino es la primera demostración de tropismo vegetal en un actuador, y forma parte de un movimiento hacia la robótica ‘blanda’, que utiliza actuadores construidos con materiales fluidos, como tela, papel, fibras y polímeros, en lugar de articulaciones metálicas rígidas, para dar prioridad al movimiento versátil. La suavidad mejoraría los robots en situaciones en las que la flexibilidad y el diseño de bajo perfil son importantes, como durante la cirugía. Y un robot blando autónomo podría funcionar en lugares sin suministro eléctrico ni personas.
"Para nuestro trabajo, el éxito consiste en demostrar que los materiales artificiales también pueden comportarse como criaturas naturales; plantas, en este caso", opina Aziz. "Así hemos dotado a los materiales artificiales de cierto grado de inteligencia natural".
El hilo, por supuesto, no puede moverse solo. Hay que infundirle un material adicional que lo haga sensible.
Aziz pasó sus hilos por tres soluciones distintas. Una, un hidrogel de alginato, permitiría que el dispositivo absorbiera agua. Otra, un hidrogel de poliuretano, lo hacía menos quebradizo. La última capa era un revestimiento que respondía al calor. Luego puso el hilo alrededor de una varilla metálica para que se enrollara como los zarcillos del pepino. El producto final parece un largo muelle de color magenta oscuro. Sus suaves espirales eclipsan las muchas capas de fibras retorcidas, pero todas están ahí.
Su equipo puso a prueba las capacidades del ‘músculo’ de hilo con una serie de experimentos. Primero sujetaron un clip al extremo inferior de la bobina. A continuación, rociaron la bobina con agua. El hidrogel se hinchó y absorbió el agua. La bobina se contrajo, encogiéndose y tirando del clip hacia arriba.
Pero, ¿por qué el hecho de que el hidrogel se hinchara hizo que la bobina se contrajera en lugar de expandirse? Se debe a esa microestructura helicoidal: El hidrógeno hinchado empujó la hélice a expandirse radialmente en espirales más anchas, y el músculo del hilo se contrajo longitudinalmente para compensar.
A continuación, los investigadores aplicaron aire calentado por una placa. Esto tuvo el efecto contrario: La espiral se relajó y el clip bajó. Esto se debe a que el aire caliente ayuda a liberar moléculas de agua del hidrogel, lo que permite que el músculo se expanda. El aire frío deja que esas moléculas se reabsorban, contrayendo de nuevo el músculo.
A continuación preguntaron: ¿Podría esta cosa cerrar una ventana? Puede parecer un reto extraño, pero querían una prueba que demostrara que el pequeño músculo era capaz de realizar una tarea útil por sí solo: sin una fuente de energía, sin tubos para el aire ni necesidad de cables. Por supuesto, un hilo es demasiado endeble para mover una ventana de cristal de tamaño normal, por muchas torsiones que se le den. Así que el equipo de Aziz creó su propia versión de plástico, ahora del tamaño de la palma de la mano. La ventana tenía dos cristales que podían juntarse para cerrarse como persianas. Tejieron el pequeño músculo magenta a través de ambos cristales. Con un chorro de agua, el hilo se contraía, juntando las contraventanas, hasta que se cerraban por completo.
Para Aziz, la belleza de esta microestructura es que este tipo de cambio de forma es reversible. Otros materiales musculares artificiales, como aquellos con memoria de forma, suelen deformarse irreversiblemente, lo que limita el uso repetido. Pero en este caso, la bobina puede contraerse o relajarse indefinidamente, respondiendo a las condiciones atmosféricas. "Cuando viene la lluvia, puede cerrar la ventana", dice. "Y cuando se va la lluvia, vuelve a abrirla".
¿Para qué sirve un músculo artificial?
¿Qué utilidad tendría esto en el mundo real? Aziz imagina dispositivos baratos que podrían recoger datos medioambientales o científicos en lugares remotos, donde las condiciones son inhóspitas o cambiantes, y donde el accionamiento es una ventaja: "un desierto, o una zona polar como la Antártida, donde no tienes instrumentos mecánicos o eléctricos", propone. Pensemos en un telescopio en el desierto que modifique su orientación por la noche en respuesta a un cambio brusco de la temperatura del aire. O quizá ventanas automatizadas en un invernadero remoto. Tal vez podría ayudar a robots topógrafos a tomar muestras en la Antártida. O en Marte.
Feigenbaum afirma que los actuadores que se mueven sin aire a presión ni baterías podrían ser útiles, pero depender del algodón y los hidrogeles para absorber agua o transferir calor requiere tiempo. El hilo puede tardar minutos en transformarse por completo. "Es más parecido a los zarcillos de las plantas que a los músculos humanos. Y en ese caso, el accionamiento es mucho más lento", explica. En cambio, sus músculos huecos trenzados de polímero responden al aire a alta presión o al agua en una fracción de segundo.
Por el momento, cabe esperar "un rendimiento mucho más rápido" que el de estos actuadores de tipo vegetal, coincide Polina Anikeeva, científica de materiales e ingeniera neuronal del Massachusetts Institute of Technology (MIT), quien no participó en el nuevo trabajo. "En 2019, el equipo de Anikeeva creó actuadores hechos de fibras de polímero "bimorfas" que forman hélices bajo tensión y que podrían usarse para prótesis fuertes. Consiguieron que se contrajeran en menos de un segundo al calentarse y que levantaran más de 600 veces su peso. En junio, su equipo convirtió los músculos helicoidales en pequeños robots accionados por imanes.
Anikeeva imagina casos en los que músculos basados en hidrogeles como los de Aziz podrían ser útiles: "Los hidrogeles brillan realmente en contextos biomédicos", indica. Se pregunta si funcionarían como músculos artificiales que pudieran implantarse en tejido humano real para ayudar a repararlo. Un músculo basado en hidrogeles podría ajustarse a la mecánica del cuerpo, sobre todo si los ingenieros consiguieran que los actuadores respondieran a estímulos biológicos, como lo hacen los nervios y los músculos reales, en lugar de limitarse a responder al agua o al calor: "Los hidrogeles podrían responder a distintas concentraciones de iones, porque pueden absorberlos", explica, "y quizá en el futuro se podría incluso incorporar un hidrogel conductor", que podría deformarse en respuesta a pequeños impulsos de electricidad.
Feigenbaum también prevé el uso de músculos robóticos blandos para conseguir movimientos más creativos y naturales en robótica. Imagina el clásico brazo robótico, con un hombro unido a la parte superior del brazo, unido por un codo a la parte inferior del brazo, y así sucesivamente: "todo son eslabones y articulaciones rígidas", destaca. Pero cuando los especialistas en robótica intentan reinventar las herramientas de movilidad, como los exoesqueletos y los dispositivos de ayuda a la marcha, el voluminoso hardware se interpone literalmente en el camino. En su lugar, los materiales más blandos proporcionan una mayor amplitud de movimiento y flexibilidad; se mueven en más direcciones y en más puntos de lo que permitirían las articulaciones rígidas. Piensa en ello como el movimiento de una serpiente comparado con el de la bisagra de una puerta.
Aziz espera mejorar la capacidad de carga y respuesta de los músculos, y tiene planes para crear versiones similares con polímeros llamados termoplásticos. Esto le permitiría controlar mejor la temperatura a la que responden los actuadores. El equipo aún no ha incorporado actuadores similares a los de las plantas a ningún robot, pero una vez que lo intenten, no se sabe qué nuevas puertas (o ventanas) se abrirán.
Este artículo se publicó originalmente en WIRED. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.
Algunos estudios mencionados en este artículo: